微凸起織構(gòu)化PDMS表面靜摩擦特性研究

賈洪鐸, 于海武, 唐火紅, 李德寶, 李 蓉

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,江蘇 常州 213164)

微凸起織構(gòu)化PDMS表面靜摩擦特性研究

賈洪鐸1, 于海武2, 唐火紅1, 李德寶1, 李 蓉2

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國(guó)科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院,江蘇 常州 213164)

為研究微凸起織構(gòu)對(duì)聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體材料表面靜摩擦特性的影響,文章分別設(shè)計(jì)了圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)4種類型的微凸起表面織構(gòu),并進(jìn)行靜摩擦實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明:相同的實(shí)驗(yàn)載荷下,同一試樣在干燥條件下所獲得的靜摩擦力大于濕潤(rùn)條件下的靜摩擦力;無(wú)論干燥與濕潤(rùn),相同類型的織構(gòu)化表面所產(chǎn)生的靜摩擦力均隨表面微凸起面積率的增大而增大;與圓柱形及六邊形織構(gòu)化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導(dǎo)致靜摩擦力的大幅增加。

彈性體微織構(gòu)化表面;靜摩擦力;微凸起形狀;微凸起尺寸參數(shù);潤(rùn)滑條件

0 引 言

隨著彈性體材料在社會(huì)各行各業(yè)中日益廣泛的應(yīng)用,該材料的摩擦學(xué)問(wèn)題變得越發(fā)重要,如汽車輪胎的紋理分析[1]、手動(dòng)剃須刀潤(rùn)滑框設(shè)計(jì)[2]等,都與彈性體材料的摩擦學(xué)問(wèn)題相關(guān)。

表面織構(gòu)技術(shù)已被證明是一種改善材料表面摩擦特性的有效手段,近年來(lái)得到了越來(lái)越多的學(xué)者及工程技術(shù)人員的關(guān)注,其在硬質(zhì)材料上用于減小摩擦及降低磨損的研究較多[3-5],如在軸承表面加工凹槽等[6]。文獻(xiàn)[7]在金屬表面加工了規(guī)則圓形凹坑和單向溝槽,結(jié)果表明規(guī)則圓形凹坑表面比單向溝槽表面和隨機(jī)表面具有更低的摩擦系數(shù)。表面織構(gòu)技術(shù)同時(shí)也被用于改善彈性體材料表面摩擦學(xué)性能,其織構(gòu)形式不僅表現(xiàn)為微凹坑結(jié)構(gòu)[8-10],同時(shí)也表現(xiàn)為微凸起結(jié)構(gòu)[11]。文獻(xiàn)[11]在聚二甲基硅氧烷(PDMS)表面分別制作圓柱形及六邊形微凸起織構(gòu),并對(duì)比分析了2種織構(gòu)對(duì)材料表面摩擦性能的影響,研究發(fā)現(xiàn)，與圓柱形微凸起織構(gòu)相比,六邊形微凸起織構(gòu)具有增大材料表面摩擦力的效果。類似的研究靈感大多來(lái)源于對(duì)樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)的分析,這些研究中的微結(jié)構(gòu)均借鑒于成年體樹蛙足墊的六邊形微結(jié)構(gòu)。然而,樹蛙在由幼體成長(zhǎng)為成年體過(guò)程中,足墊微結(jié)構(gòu)是不斷發(fā)生變化的[12],如圖1所示。由圖1可看出，幼體樹蛙足墊的微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為六邊形裙邊陣列結(jié)構(gòu),而成年體樹蛙的足墊則表現(xiàn)為獨(dú)立的六邊形陣列結(jié)構(gòu),這些六邊形被一條淺溝槽隔離。

圖1 樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)

為了系統(tǒng)性探索彈性體表面微凸起形狀、尺寸參數(shù)以及組成形式對(duì)其摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律,本文分別參考幼體樹蛙及成年體樹蛙足墊微結(jié)構(gòu)特征,分別設(shè)計(jì)了圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)以及非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)微織構(gòu),并利用實(shí)驗(yàn)方法研究表面微織構(gòu)對(duì)材料表面靜摩擦特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

本文選用低彈性模量的PDMS材料,運(yùn)用光刻轉(zhuǎn)印技術(shù)在其表面制作出微凸起織構(gòu),其主要過(guò)程包括:

(1) 旋轉(zhuǎn)涂膠。利用SC-1B勻膠機(jī),將BN308-450紫外負(fù)性光刻膠均勻涂于玻璃基片上,膠膜厚度達(dá)5～8 μm。

(2) 烘干。在恒溫烘箱內(nèi)烘干后取出自然冷卻至室溫。

(3) 曝光。利用JKG-2A型光刻機(jī),將涂有光刻膠的玻璃基片進(jìn)行紫外光輻照處理。

(4) 顯影和清洗。分別在負(fù)膠顯影劑和清洗劑中均勻浸泡,被光輻照部分的光刻膠被清洗脫落,得到制作所需圖案。

(5) 堅(jiān)膜。將顯影清洗后的玻璃基片放入烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干,以堅(jiān)固顯影后留于玻璃基板上的光刻膠。

(6) 表面織構(gòu)轉(zhuǎn)印。堅(jiān)膜后的玻璃基板作為轉(zhuǎn)印模板,將攪拌均勻的PDMS液體倒入玻璃基板表面并固化,固化后脫模得到具有表面微凸起織構(gòu)的試樣表面。

試樣表面三維形貌如圖2所示。

圖2 試樣表面三維形貌

1.2 試樣微織構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

表面微凸起織構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有凸起形狀、面積率等,本文主要設(shè)計(jì)的微織構(gòu)的形狀有圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu),其外形輪廓和特征參數(shù)如圖3所示。

圖3 PDMS表面微織構(gòu)形狀及特征參數(shù)

面積率指微凸起織構(gòu)面積占總面積的百分比,由不同微織構(gòu)的特征參數(shù)決定。圖3中4種結(jié)構(gòu)面積率的計(jì)算公式分別如下。

圓柱形的面積率r為:

六邊形的面積率r為:

r=3d2/(4L2)；

密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的面積率r為:

非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的面積率r為:

其中,n為密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)中的微小圓柱的個(gè)數(shù)；d在單一表面結(jié)構(gòu)中為織構(gòu)外接圓直徑，組合結(jié)構(gòu)中為內(nèi)部圓柱凸超織構(gòu)直徑；L為織構(gòu)間中心距；H為壁厚；D為內(nèi)部大六邊形外接圓直徑；B為間隙寬度。

通過(guò)以上的設(shè)計(jì),變量參數(shù)的取值范圍選用見表1所列,共制作30種試樣。

表1 微織構(gòu)特征尺寸參數(shù)

1.3 試驗(yàn)裝置及測(cè)試方法

光刻轉(zhuǎn)印制作出的帶有表面微織構(gòu)的PDMS試樣,為了更加詳細(xì)地分析其表面微織構(gòu)在不同條件下對(duì)試樣靜摩擦特性的影響,設(shè)計(jì)的潤(rùn)滑條件分為干燥、濕潤(rùn),載荷條件為50 g預(yù)載荷和100 g預(yù)載荷,共4種外界實(shí)驗(yàn)條件變量。實(shí)驗(yàn)裝置采用的TYPE12多功能表面性能測(cè)量?jī)x如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)的基本過(guò)程為:

(1) 試樣粘結(jié)在測(cè)試儀平臺(tái)上。

(2) 用調(diào)平旋鈕將測(cè)量桿調(diào)平至平衡指示燈全部熄滅。

(3) 旋轉(zhuǎn)上下調(diào)節(jié)旋鈕使上試樣與下試樣接觸至顯示屏數(shù)字有變化。

(4) 施加預(yù)載荷砝碼;

(5)采集數(shù)據(jù);

(6) 啟動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)。

所有的試樣分別在50 g預(yù)載荷干燥條件、50 g預(yù)載荷濕潤(rùn)條件、100 g預(yù)載荷干燥條件和100 g預(yù)載荷濕潤(rùn)條件下測(cè)試,上下試樣為面面接觸,測(cè)試過(guò)程中濕潤(rùn)條件采用注射器向摩擦副上試樣和下試樣之間注射30 μL的水實(shí)現(xiàn)。為滿足靜摩擦測(cè)試的需要,測(cè)試過(guò)程中兩接觸面之間的相對(duì)切向運(yùn)動(dòng)速度為0.1 mm/s,運(yùn)動(dòng)距離設(shè)定為3 mm,摩擦力采樣間隔為0.1 ms,測(cè)試結(jié)束后將結(jié)果中的最大值定為靜摩擦力。實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中每種情況測(cè)試3次,取3次測(cè)量值結(jié)果的平均值作為所得的靜摩擦力。

圖4 TYPE12多功能表面性能測(cè)量?jī)x

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

預(yù)載荷50 g,干燥及濕潤(rùn)2種條件下,試樣靜摩擦力與微凸起面積率之間的關(guān)系如圖5所示。從圖5可以看出,圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)、非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的微織構(gòu)化試樣,其靜摩擦力均隨著面積率的增大而增大。對(duì)于任何類型的微凸起表面織構(gòu),同一試樣在濕潤(rùn)條件下產(chǎn)生的靜摩擦力均小于干燥條件下產(chǎn)生的靜摩擦力,這說(shuō)明注射的30 μL水在兩摩擦試樣表面間起到了液體潤(rùn)滑的作用。分別在干燥及濕潤(rùn)條件下,對(duì)比外接圓直徑為150 μm的圓柱形和六邊形表面微凸起織構(gòu),可以發(fā)現(xiàn)六邊形微凸起的靜摩擦力大于圓柱形微凸起的靜摩擦力。這是由于六邊形微凸起的棱角部分較圓柱形微凸起,更易于與接觸表面的粗糙峰與谷之間形成鎖合或卡(lock or snap)的現(xiàn)象造成的。與圓柱形及六邊形織構(gòu)化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導(dǎo)致靜摩擦力的大幅增加,這是由于裙邊對(duì)載荷力的支撐作用,使得裙邊內(nèi)部的微凸起不易產(chǎn)生變形,而增強(qiáng)了微凸起與接觸面粗糙峰與谷之間的鎖合或卡的作用強(qiáng)度。

圖5 預(yù)載荷50 g試樣靜摩擦特性

預(yù)載荷100 g,干燥及濕潤(rùn)2種條件下,試樣靜摩擦力與微凸起面積率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 預(yù)載荷100 g試樣靜摩擦特性

從圖6可以看出,文中所設(shè)計(jì)的所有類型的微凸起織構(gòu)化試樣,其靜摩擦力隨微凸起面積率的變化規(guī)律與圖5中預(yù)載荷為50 g時(shí)的變化規(guī)律相同,即試樣的靜摩擦力隨微凸起面積率的增大而增大。同時(shí),具有密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化試樣,與圓柱形及六邊形織構(gòu)化試樣相比,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率增大而增大的幅度更大。對(duì)比圖5和圖6可知,無(wú)論在干燥及濕潤(rùn)條件下,所有試樣的靜摩擦力隨著預(yù)載荷的增大而增大。

由圖5、圖6可以看出,所有類型的織構(gòu)化試樣,其在預(yù)載荷為100 g時(shí)的靜摩擦力均大于預(yù)載荷為50 g時(shí)的靜摩擦力,即隨著預(yù)載荷的增大,靜摩擦力也在增大。無(wú)論同種類型的織構(gòu)化試樣之間,還是不同類型的織構(gòu)化試樣之間,在面積率相同的條件下,其靜摩擦力的差值也隨著預(yù)載荷的增大而增大,體現(xiàn)出隨著預(yù)載荷的增大,所有類型的織構(gòu)化試樣的靜摩擦力受微凸起參數(shù)變化的影響程度也在增大,即越容易通過(guò)改變微凸起參數(shù)控制試樣的靜摩擦力變化。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)設(shè)計(jì)圓柱形、六邊形、密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)4種表面微凸起織構(gòu),研究了微凸起形狀、尺寸參數(shù)等對(duì)PDMS彈性體表面靜摩擦力的影響規(guī)律,并得到如下結(jié)論:

(1) 相同的實(shí)驗(yàn)載荷,本文設(shè)計(jì)的所有類型的織構(gòu)化試樣在干燥條件下所獲得的靜摩擦力大于濕潤(rùn)條件下的靜摩擦力。

(2) 無(wú)論干燥與濕潤(rùn),相同類型的織構(gòu)化表面所產(chǎn)生的靜摩擦力均隨表面微凸起面積率的增大而增大。

(3) 與圓柱形及六邊形織構(gòu)化試樣相比,具有密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)和非密封六邊形裙邊結(jié)構(gòu)的織構(gòu)化試樣,其靜摩擦力隨表面微凸起面積率的變化更加劇烈,表現(xiàn)出表面微凸起面積率的微小增加將導(dǎo)致靜摩擦力的大幅增加。

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(責(zé)任編輯 閆杏麗)

Research on static friction performances of textured surface of PDMS with micro convexes

JIA Hongduo1, YU Haiwu2, TANG Huohong1, LI Debao1, LI Rong2

(1.School of Machinery and Automobile Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Changzhou 213164, China)

To study the influence of micro-convex surface texture on static friction performances of polydimethylsiloxane(PDMS) surface, four micro-convex textures were selected, including cylindrical structure, hexagonal structure, sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure, and the tests were carried out. The results show that at the same test load, the static friction of a fixed sample obtained under dry conditions is greater than that under wet conditions; the static friction increases with the increase of micro-convex density under both dry and wet conditions for the same type samples; compared with the samples with cylindrical and hexagonal micro-convex texture, the static friction obtained by the samples with sealed hexagonal skirt structure and unsealed hexagonal skirt structure increases with the micro-convex density more obviously, which means that a small density increment can result in a great static friction increment.

elastic micro-textured surface; static friction; micro-convex shape; micro-convex size parameter; lubrication condition

2015-07-17；

2015-10-14

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305425)

賈洪鐸(1990-),男,遼寧遼陽(yáng)人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 于海武(1982-),男,內(nèi)蒙古赤峰人,博士,中國(guó)科學(xué)院副研究員,碩士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.006

TH117.1

A

1003-5060(2016)12-1614-05